临近地铁基坑开挖对车站附属结构的影响分析

谌小丽 （常州铁道高等职业技术学校，江苏 常州 213011）

0 引言

近年来，地铁逐渐成为一个城市现代化的重要名片，越来越多的地铁项目在城市中建设，而随着城市的不断发展，地铁临近的深基坑开挖工程也逐渐增多，在基坑开挖过程中，土体改变了已有的平衡状态，周围土体也产生了扰动，这势必会对原有的地铁结构产生影响。

地铁作为一个百年工程，一旦影响过大，就会影响其正常使用，甚至发生破坏，轻者市民交通出行不便，重者造成非常大的社会舆论。因此，临近地铁深基坑开挖对地铁车站及附属结构的影响是需要研究的一个重要课题，具有非常大的实际意义。

近年来，国内外学者对临近地铁基坑开挖对地铁车站及附属结构的影响进行了众多研究。余晓琳、施成华等[3]通过收集广州地区及国内的工程真实案例,研究了基坑开挖后土体位移场的变动,归纳了邻近基坑施工对现有地铁结构的相关影响,并选取广州农贸园工程,采用有限元分析法进行了三维数值模拟,与实测数据进行对比分析,得出一些能对今后类似工程起到一定借鉴作用的结论。陈鲁[4]结合某实际工程实例，采用有限元计算，对不同工况和施工步骤下深基坑开挖对地铁隧道和站台结构的影响进行分析，得出分析模型、分析手段以及计算结果。曾祥会[5]在天津市某购物中心基坑工程紧邻既有地铁车站施工的背景下,针对既有地铁车站及区间隧道的变形情况采用数值模拟方法进行分析,总结隧道变形的发展规律,与监测结果进行对比分析,得出了变形的最大值及其位置。徐腾飞[6]以红谷滩中央金融大街基坑工程项目毗邻南昌地铁1号、2号线换乘站——地铁大厦站作为研究对象，对近接工程控制因素所带来的风险采用有限元方法进行数值模拟分析，并将结果进行量化，最后分别对各因素所产生的风险进行评估。

本文根据某临近地铁的地下空间民防工程，运用MIDAS软件建模，建立开挖基坑及车站附属结构的三维整体数值模型，分析在基坑开挖各种工况下，车站附属结构的变形情况。研究结果为类似项目的设计与施工提供一定的参考意义。

1 工程概况

某地下空间民防工程总建筑面积约10800m2，该工程基底黄海标高为-3.6m，框架结构，基础采用筏板+钻孔灌注桩，钻孔灌注桩桩径600mm，桩长13m。项目平面布置如图1所示。

图1 项目平面布置图

项目基坑周长约590m，开挖深度约9.5m-11.6m。根据基坑设计方提供的图纸，地面整平标高取+5.50m（黄海标高），地下室板面标高为-3.15m，外墙下条基垫层底标高为-4.15m；基坑西侧为已建地铁车站主体、附属结构及区间。该项目地下室外墙与车站主体外墙距离约为37m-40m，车站主体埋深约16.1m-19.29m；地下室外墙与地铁1号出口距离约为3.7m-6.7m，与地铁4号出口距离约为1.2m-1.6m；后期地下室与地铁1号、4号出口连通。基坑支护形式拟采用钻孔灌注桩+内支撑围护形式，并设置三轴搅拌桩止水，坑内采用管井降水。

2 基坑围护设计方案

综合考虑基坑的安全、造价、工期等因素，基坑考虑采用整体开挖方案，基坑围护如图2～图6所示。

图2 基坑围护平面布置图

图3 1号口处围护结构平面布置图

图4 1号口处横断面关系图

图5 4号口处围护结构平面布置图

图6 4号口处横断面关系图

4号口和1号口均为地下一层箱型结构，1号口建筑面积约510.2m2，4号口建筑面积约502.3m2，1号口标准段埋深约8.95m，集水坑处埋深约11.87m，4号口标准段埋深约8.85m，集水坑处埋深约11.85m，4号口和1号口的围护均为φ850SMW工法桩，插一挑一，局部密插，围护桩长标准段长约16.6m，集水井落低处约21.3m。

3 结构变形控制标准

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202-2013)、《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013)的规定，该基坑工程位于地铁车站主体、附属1号出入口、4号出入口保护区范围内。

保护情况梳理如表1所示。

保护情况汇总表 表1

综合考虑1、4出入口的实际情况，提出在开挖基坑对车站附属结构影响的计算分析控制标准，车站附属结构变形预警值为8mm，控制值取10mm。

4 工程地质水文条件

本场地地貌分区属于太湖水网平原区，地貌单元属于高亢平原。勘察时，场地内分布有较大范围的堆土，场地地势有较大起伏，地面高程一般在4.5-7.5m，平均5.5m左右。场地北侧分布有老塘港河，勘察期间测得水面高程约2.2m，最大水深1.5m，淤泥厚约40cm。

根据勘察报告，拟建场地地面下35m深度范围内地基土属第四纪全新世（Q4）、晚更新世（Q3）年代沉积地层，主要由粘性土、粉土、砂土组成。

根据勘察资料，该场地地下水类型可分为两类，分述如下。

①上层滞水：主要赋存于表层的填土中，补给来源为大气降水及地表水渗入，以地面蒸发为主要排泄方式。勘察期间，测得该层水一般埋深于地面下0.5-1.5m，水位水量随季节变化，高水位接近于自然地面，低水位标高约4.0m。

②承压水：主要埋藏于粘质粉土夹粉质粘土及粉砂中，受长江、运河等区域水系补给，以地下水侧向径流为主要排泄方式。本项目勘察期间测得该层承压水水位标高平均约为-2.1m。据调查，近年高水位标高约1.0m，低水位标高约-5.0m。

拟建场地未发现有构造断裂、滑坡、土洞、地面沉降、地面裂缝等影响工程稳定性的不良地质作用。

拟建场地分布的特殊性岩土主要为厚层填土。勘察时，场地内分布有较大范围的堆土，另在地库边线处分布有较厚填土。经查，填土成分主要为粘性土、混碎石块等建筑垃圾。

根据调查，拟建地库西侧边线紧邻地铁站，分布有地下管线和地下建筑物，新桥大街场区范围内也分布有地下管线。

5 计算软件

本次分析采用岩土、隧道结构专用有限元分析软件MIDAS/GTS（Geotechnical&Tunnel analysis System）NX 2017进行计算。该软件主要针对岩土隧道领域的结构分析所涉及的功能而开发的程序，与其它相关大型通用有限元软件相比，该软件不仅具有强大的前后处理及求解功能，而且能够很便捷地进行回填、开挖及施加支护结构等岩土及隧道工程施工阶段的分析。施工阶段分析采用的是累加模型，即每个施工阶段都延续了上一个施工阶段的分析结果，并累积了本施工阶段的分析结果。也就是说上一个施工阶段中结构体系与荷载的变化是对后续阶段分析结果会产生影响的。因此，为了研究施工过程中各结构构件的荷载效应，以便指导设计，本次分析土体材料本构模型取用硬化土弹塑性模型。

6 计算内容及工况分析

本次有限元影响分析采用土层结构法进行计算，主要包含以下内容：

①地块基坑支护结构、桩基、地下室结构，1号口附属结构、4号口附属结构、上下行区间，土层模型的计算范围为277m×349m×42.5m；

②研究各构件的荷载和变形效应，以便指导设计，评估影响，经综合考虑，土体模型采用三维块体单元模拟，区间结构、楼板等采用板单元模拟；支撑和桩基采用梁单元模拟。

③工况

工况1：初始地应力计算，位移清零。

工况2：车站、附属结构完成，位移清零。

工况3：完成围护墙、立柱桩。

工况4：开挖第一层土。

工况5：施工第一道支撑，基坑开挖至坑底。

工况6：施工地下室顶底板。

工况7：拆除第一道支撑。

工况8：完成地块与出入口的连通道，完成地块顶板覆土。

7 计算结果分析

如图7所示，各工况下1号口X向最大水平位移为8.41mm。

图7 1号口的X向最大水平位移

如图8所示，各工况下1号口Y向最大水平位移为1.80mm。

图8 1号口的Y向最大水平位移

如图9所示，各工况下1号口Z向最大位移为2.05mm。

图9 1号口的Z向最大位移

如图10所示，各工况下4号口X向最大水平位移为2.41mm。

图10 4号口的X向最大水平位移

如图11所示，各工况下4号口Y向最大水平位移为1.80mm。

图11 4号口的Y向最大水平位移

如图12所示，各工况下4号口Z向最大位移为1.41mm。

图12 4号口的Z向最大位移

8 结论与建议

根据以上计算，将计算结果汇总如下表：

计算结果汇总表 表2

根据计算结果，发现该基坑开挖对1号口影响非常明显，X方向的位移已经达到8.41mm，已超变形预警值，距离控制值10mm也非常接近，而4号口变形相对较小。建议该基坑在施工过程中采取信息化施工，实时监测地铁车站1号口水平向的位移数据。